離心式空氣壓縮機喘振故障的處理方法探討

袁偉豪

陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司，中國·陜西 漢中 724200

1 引言

離心式空壓機是鋼鐵行業(yè)的一種常用設(shè)備，該類設(shè)備在運行過程中會產(chǎn)生一些故障，其中喘振故障比較常見。離心式空氣壓縮機的喘振是在離心式空氣壓縮機運行過程中，氣流的強烈脈動與周期性振蕩造成葉片強烈振動，引起葉輪應(yīng)力加大，噪音增大，整個機組出現(xiàn)強烈振動，機組的密封、軸承也會受到影響，整個機組有可能因此癱瘓?；谝陨险J知，下面對離心式空氣壓縮機的喘振故障問題做具體分析。

2 離心式空氣壓縮機喘振形成原因

2.1 喘振形成原理

喘振是離心式空氣壓縮機運行在某一工況下產(chǎn)生的特有現(xiàn)象。當進入空壓機的空氣流量不能使空壓機產(chǎn)生足夠的壓力，外部管路的壓力就會大于空壓機內(nèi)部壓力，強大的壓差會導致逆止閥關(guān)閉[1]。逆止閥關(guān)閉后，空壓機不再由輸出，空壓機內(nèi)部就會有空氣積累，內(nèi)部壓力持續(xù)上升，當內(nèi)部壓力上升到一定程度時（內(nèi)部壓力超過外部系統(tǒng)壓力），空壓機逆止閥就會被內(nèi)部壓力沖開，空壓機內(nèi)部氣體會排。內(nèi)部氣體排出后，空壓機內(nèi)部又會因為空氣的缺少而無法持續(xù)輸出，空壓機內(nèi)部壓力也會隨著氣體的排出不斷下降，最終當壓力下降到一定程度時，空壓機的逆止閥又重新關(guān)閉，空壓機內(nèi)部空氣又重新聚集，內(nèi)部壓力又重新增大。如此反復(fù)，如此的循環(huán)往復(fù)，導致輸出的壓力和電機負荷劇烈波動，逆止閥動作頻繁，空壓機也不斷發(fā)出“砰砰”的喘振聲音。

2.2 喘振形成具體原因

離心式空壓機在運行過程中的喘振現(xiàn)象分為兩種，一種是自然喘振，一種是異常喘振。離心式空壓機的自然喘振現(xiàn)象指：空壓機內(nèi)部壓力已經(jīng)達到機器可壓縮的最大值時產(chǎn)生的喘振。自然喘振比較容易消除與解決，只需通過調(diào)整空壓機的卸載壓力，使設(shè)備卸載壓力小于標定壓力，就能有效避免喘振現(xiàn)象。離心式空壓機的異常喘振是一種故障的表現(xiàn)，這種故障會對整個機組的穩(wěn)定運行都產(chǎn)生重大影響，因此必須做好處置與防范。在維修過程中發(fā)現(xiàn)，離心式空壓機的喘振故障主要與以下原因有關(guān)（見圖1）：

圖1 離心式空氣壓縮機結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 離心式空壓機進氣口空氣溫度變化

離心式空壓機設(shè)計上的壓縮量是指在25℃，一個標準大氣壓條件下的壓縮量。但在實際運行中，外部溫度及大氣壓條件都在不斷變化，無法保持恒定，這樣空壓機在運行過程中就不可避免地會有喘振現(xiàn)象。且研究表明，當空氣壓力恒定時，空氣密度與空氣溫度成反比例關(guān)系，溫度升高，密度就降低，而空氣密度降低會導致離心式空氣壓縮機內(nèi)部的空氣流量減少，輸出壓力降低，進而導致空壓機出現(xiàn)嚴重喘振故障[2]。

2.2.2 離心式空壓機擴壓器腐蝕磨損

當離心式空壓機處于運行狀態(tài)時，葉輪高速旋轉(zhuǎn)，空氣在經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪后產(chǎn)生高速高壓，之后空氣進入擴壓器，擴壓器會使空氣流速降低，壓力提高，這樣機器就能更順利地排出氣體，機器也不會出現(xiàn)嚴重的喘振現(xiàn)象。但如果空壓機中的擴壓器受到嚴重磨損與腐蝕，性能下降，那么空氣在流經(jīng)擴壓器時就得不到有效的處理，空壓機內(nèi)部的空氣壓力因此得不到提高，輸出壓力也將明顯降低，空壓機就更容易出現(xiàn)喘振。離心式空壓機葉輪與擴壓器之間的間隙變化離心式空壓機對葉輪與擴壓器之間的間隙要求較高，間隙過大或過小都有可能導致空壓機喘振問題比較嚴重[3]。研究發(fā)現(xiàn)，當空壓機葉輪與擴壓器之間的間隙過大時，就容易出現(xiàn)泄露串氣現(xiàn)象，泄露串氣導致空壓機內(nèi)氣體減少，壓力降低，機組的運行受到影響。當空壓機葉輪與擴壓器之間的間隙過小時，空壓機內(nèi)通過的空氣流量就會變小。葉輪與擴壓器容易碰撞，機組的喘振問題也會更嚴重。

2.2.3 離心式空壓機冷卻器與水汽分離器變臟

空氣在經(jīng)過設(shè)備的壓縮后，速度與壓力會明顯上升，溫度會顯著升高，為防止出現(xiàn)溫度過高情況，離心式空氣壓縮機內(nèi)部都安裝有水汽分離器與冷卻器。在安裝有水汽分離器與冷卻器的分離式空壓機中，氣體在進入下一級壓縮前要先經(jīng)過冷卻器與分離器，在冷卻器與分離器的作用下，空氣中的水分被過濾掉，這樣氣體就能被更順暢地排出。當分離式空壓機中的水汽分離器冷卻器變臟后，過濾效果就會變差，機器內(nèi)的空氣流量也會因此減少，空壓機輸出壓力降低，并因此產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。

3 離心式空壓機喘振故障處置與防范措施

3.1 離心式空壓機喘振故障處置方案

對離心式空壓機在運行過程中出現(xiàn)的喘振故障，要根據(jù)故障形成原因采取針對性措施進行處理，將故障影響降到最低[4]。具體如監(jiān)測與控制空壓機進氣壓力，防止出現(xiàn)進氣壓力低、進氣溫度高、氣體分子量減小等問題。平時做好對離心式空壓機的檢查與運維，及時清理冷卻器、過濾器、網(wǎng)管等，保持機械設(shè)備清潔，確保機械運行狀態(tài)良好，從而緩解喘振現(xiàn)象。工作人員在開、停離心式空壓機時，要合理地降低升、降速度，避免升、降速度過快，并且在操作過程中做到升速后升壓，降壓后降速。在開防喘振閥或關(guān)防喘振閥時，做到平穩(wěn)緩慢，不能使防喘振閥受到過大沖擊。開防喘振閥時，先升高壓力，后降低壓力；關(guān)防喘振閥時，先降低壓力然后再升高壓力。離心式空壓機在運行過程中日過出現(xiàn)喘振與旋轉(zhuǎn)失速問題，應(yīng)先將所有防喘振閥打開，增加壓縮機流量，然后根據(jù)故障的具體表現(xiàn)及原因做針對性處理。如對于因擴壓器腐蝕磨損引起的喘振故障，就應(yīng)及時維修或更換擴壓器，使故障盡快消除；對于因冷卻器與水汽分離器變臟引起的喘振故障，應(yīng)及時清洗這兩項裝置，或更換新裝置，以使故障盡快消除。

3.2 離心式空壓機運行管理制度

離心式空壓機的安全穩(wěn)定運行需要有健全完善的運行管理制度做保障。當前背景下，要不斷根據(jù)離心式空壓機的運行管理情況，完善運行管理制度，以制度促進離心式空壓機運行管理工作規(guī)范開展。具體來說公司要制定以下幾條基本制度：離心式空壓機專人管理制度，公司的所有離心式空壓機，都由懂相關(guān)專業(yè)知識、掌握設(shè)備運維技能、有一定實踐經(jīng)驗的專業(yè)人員負責。公司所有新入離心式空壓機，未經(jīng)試驗不得投入使用，只有在經(jīng)過規(guī)范試驗且實驗結(jié)果表明一切安全正常后才能投入運行。做好對離心式空壓機的基礎(chǔ)檢查與運維，對所有老化嚴重的離心式空壓機，應(yīng)及時記錄并上報更換，從而減少安全隱患[5]。不斷完善離心式空壓機的運維管理規(guī)范，確定離心式空壓機運維管理細則，并嚴格要求相關(guān)工作人員按照規(guī)范細則開展各項檢修維護與管理工作，以提升離心式空壓機的安全管理水平。

3.3 離心式空壓機喘振檢測系統(tǒng)

在當前背景下，可運用PLC、人工智能等先進技術(shù)建立離心式空壓機自動檢測系統(tǒng)，由系統(tǒng)對離心式空壓機的喘振故障做出自動監(jiān)測與防范。

3.3.1 基于PLC 技術(shù)的離心式空壓機喘振監(jiān)測系統(tǒng)

運用PLC 技術(shù)構(gòu)建離心式空壓機監(jiān)測控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)實現(xiàn)對離心式空壓機的遠程監(jiān)測與自動控制，提高離心式空壓機運行水平。PLC 監(jiān)測控制系統(tǒng)可完成設(shè)備自動化和過程自動化監(jiān)測控制，實現(xiàn)完美的網(wǎng)絡(luò)功能，系統(tǒng)功能豐富、性能穩(wěn)定，擴展性好、抗干擾性強，應(yīng)用性好?；赑LC 技術(shù)的監(jiān)測控制柜能夠與公司的DCS 系統(tǒng)連接，進行數(shù)據(jù)傳輸，能通過以太網(wǎng)等對公司的4 臺復(fù)盛P700 離心式空氣壓縮機進行遠程監(jiān)測與監(jiān)測控制。PLC控制系統(tǒng)將自動、遠程監(jiān)測與收集離心式空壓機的氣體溫度、氣體流量及壓力等數(shù)據(jù)，并據(jù)此對離心式空壓機運行狀態(tài)做出判斷，對離心式空壓機進行自動監(jiān)控與管理。通過PLC 監(jiān)測控制系統(tǒng)，工作人員可遠程完成離心式空壓機啟閉操作，或是直接通過PLC 監(jiān)測控制系統(tǒng)完成自動監(jiān)測控制，提高對離心式空壓機的監(jiān)測與監(jiān)測控制水平。在將PLC 技術(shù)運用于離心式空壓機監(jiān)測控制時，重點是掌握離心式空壓機的機型、容量、運行環(huán)境以及運行負荷等，據(jù)此確定離心式空壓機自動化監(jiān)測控制需求，然后才能構(gòu)建出適用性高的自動化監(jiān)測控制系統(tǒng)，讓離心式空壓機得到科學精準的監(jiān)測與監(jiān)測控制。

3.3.2 基于人工智能技術(shù)的離心式空氣壓縮機喘振監(jiān)測系統(tǒng)

人工智能技術(shù)在現(xiàn)代社會的多個領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，在機電自動化控制領(lǐng)域也發(fā)揮出了重要作用。對于離心式空氣壓縮機運行過程中的喘振問題，有必要借助人工智能技術(shù)進行防范與解決，有效提高離心式空氣壓縮機的穩(wěn)定性，降低故障發(fā)生率[6]。公司目前可運用人工智能技術(shù)下的專家系統(tǒng)、模糊理論等構(gòu)建離心式空氣壓縮機在線、遠程監(jiān)測系統(tǒng)，由系統(tǒng)對離心式空氣壓縮機的喘振問題進行自動監(jiān)測與分析。

專家系統(tǒng)是發(fā)展最早，也是人工智能應(yīng)用最活躍和最廣泛的課題之一，它與知識工程研究聯(lián)系在一起。在專家系統(tǒng)中，需設(shè)計所研究問題領(lǐng)域的知識表達方式，知識處理與知識運用的理論及方法。專家系統(tǒng)在當前的電力系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。當前有些公司利用面向?qū)ο蟮闹R表示方法構(gòu)建離心式空壓機日常運行管理專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)能在設(shè)備運行期間，根據(jù)專家經(jīng)驗、設(shè)備的運行狀態(tài)、運行規(guī)程及結(jié)構(gòu)等，為運維人員提供運維管理建議，協(xié)助工作人員制定更科學可行的運維管理決策。公司也可運用人工智能技術(shù)領(lǐng)域中的模糊理論，構(gòu)建離心式空壓機裝置狀態(tài)評價體系，運用模糊綜合評判的方法掌握離心式空壓機裝置運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)離心式空壓機裝置的運行隱患并作出處理，防止問題真正發(fā)生。另外也可運用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析對離心式空壓機裝置的運行狀態(tài)等進行監(jiān)測與分析，掌握離心式空壓機裝置運行情況，制定更科學可行的運維管理策略，維護離心式空壓機裝置的安全穩(wěn)定運行。

4 結(jié)語

綜上所述，離心式空壓機是重要的生產(chǎn)設(shè)備，空壓機的喘振問題會給整個機組帶來較大影響。研究可知，離心式空壓機喘振故障與多種原因有關(guān)，公司要根據(jù)具體的原因做好故障處置，將故障影響降到最低。此外，公司還需結(jié)合空壓機構(gòu)造特征、技術(shù)參數(shù)等制定科學可行的運行管理制度，完善運行管理規(guī)范，并建立在線監(jiān)測平臺，運用技術(shù)手段提高離心式空壓機運行管理水平，降低故障發(fā)生率。